Обнаружен загадочный гамма-сигнал, который может указывать на неизвестные свойства темной материи

Первая гипотеза: «Субструктурное усиление» и проблема «буста»

Стандартная теория предполагает, что темная материя распределена в галактиках не идеально гладко, как однородный газ, а образует сложную иерархическую структуру. Внутри крупного галактического скопления, помимо основного гало (огромного «облака» темной материи), должны существовать сотни и тысячи более мелких сгустков или субгало. Эти субструктуры являются остатками небольших галактик, которые когда-то были поглощены скоплением, но их темная материя никуда не исчезла.

Идея авторов заключается в том, что в скоплениях вроде Девы или Печи таких «островков» темной материи может быть настолько много, что они работают как естественные усилители сигнала. В физике этот эффект называется фактором буста (усиления). Если в центре Млечного Пути таких субструктур относительно мало (поскольку наша Галактика уже давно «переварила» свои спутники), то в массивных скоплениях их может быть огромное количество. Аннигиляция частиц внутри каждой такой субструктуры дает дополнительный поток гамма-лучей, и в сумме сигнал от скопления может стать ярче, чем сигнал от центра нашей собственной Галактики. Это позволило бы объяснить, почему ученые видят линию именно там, но не видят её в направлении центра Млечного Пути.

Однако у этой красивой гипотезы есть серьезный недостаток. Современные компьютерные симуляции эволюции Вселенной показывают, что, хотя субструктуры действительно существуют, их усиление не настолько велико, чтобы полностью снять противоречие с данными по центру Галактики. Чтобы это работало, фактор буста должен быть огромным (достигать нескольких тысяч), что не подтверждается самыми точными астрофизическими моделями последних лет. Поэтому авторы признают, что данная возможность, хоть и теоретически допустима, выглядит довольно натянутой.

Вторая гипотеза: «Скоростная зависимость» и резонансный эффект

Вторая гипотеза касается более тонких свойств самой темной материи. В стандартной модели принято считать, что вероятность аннигиляции частиц (то, что физики называют сечением аннигиляции) является фиксированной величиной, которая зависит только от сорта частиц. Но в реальности эта вероятность может зависеть от того, с какой скоростью частицы движутся друг относительно друга.

Авторы работы обращают внимание на так называемый эффект Зоммерфельда. Это квантово-механическое явление, при котором в определенных условиях частицы с низкими скоростями притягиваются друг к другу сильнее, и их вероятность столкнуться и аннигилировать резко возрастает. Например, две медленно плывущие лодки из-за слабого течения притягиваются друг к другу — это работает по схожему принципу.

В галактических скоплениях темная материя движется относительно медленно (скорости частиц там значительно ниже, чем в центре нашей Галактики, где гравитация разгоняет их сильнее). Если масса частиц темной материи такова, что она попадает в так называемый «резонанс» (энергия частиц совпадает с энергией связи промежуточного состояния), то сечение аннигиляции может вырасти в сотни и тысячи раз именно в скоплениях. При этом в центре Млечного Пути, где частицы быстрее, этот резонанс не работает, и сигнала нет.

Таким образом, скопления галактик в этой модели становятся уникальными «ловушками», где скорость частиц оказывается идеально подходящей для мощной аннигиляции. Это элегантное решение, но оно требует введения в теорию довольно сложных и специфических допущений о природе частиц, что делает модель нетривиальной.

Третья гипотеза (альтернативная): «Экзотическая астрофизика» вместо темной материи

Третье объяснение кардинально отличается от первых двух. Оно предполагает, что мы вообще имеем дело не с темной материей, а с каким-то новым, ранее не наблюдавшимся астрофизическим процессом.

В качестве примера авторы ссылаются на модель, изначально придуманную для объяснения другого, более раннего сигнала (на 130 ГэВ, который позже оказался артефактом). Суть модели такова: в окрестностях некоторых массивных объектов, например, в скоплениях галактик, могут существовать невероятно мощные ветры, порождаемые быстро вращающимися нейтронными звездами или пульсарами. Эти ветры состоят из электронов и позитронов, разогнанных до скоростей, близких к скорости света (ультрарелятивистских частиц).

Когда такой сверхбыстрый поток электронов сталкивается с мягким световым излучением (фотонами), в особом режиме рассеяния энергия фотонов может сжиматься в очень узкий энергетический интервал. На спектре это выглядит как резкая линия, практически неотличимая от линии аннигиляции темной материи. Это похоже на то, как если бы лазерный луч возник из обычного беспорядочного света благодаря очень специфическим физическим условиям.

Проблема этого сценария в его исключительной сложности. Чтобы такой механизм сработал в галактическом скоплении, нужны экстремально жесткие условия: наличие мощного пульсара с нужными параметрами, правильный поток излучения и идеальное совпадение геометрии. На данный момент неизвестно, существуют ли в скоплениях источники, способные создать такой эффект. Тем не менее, авторы не спешат отметать эту возможность, так как она остается единственной, полностью исключающей необходимость придумывать новую физику темной материи.